可靠性分析在岩土工程中的应用
陈静
土木工程系南京理工大学南京210094 江苏
摘要：就可靠性理论的发展为线索,阐述了可靠性理论在土木工程、岩土工程的发展与应用,分析了岩土参数的不确定性与其本身固有的变异性,特别针对泥岩参数的可靠性分析,提出了可靠性分析在泥岩中的基本发展思路。
关键词:可靠性;土木工程;不确定性;泥岩;泥岩参数
1 引言
岩土工程中所接触的岩石和土是在漫长的地质年代中形成的,本身处在不断的变化中,这种变化是由包括自然条件的变化和人类活动所引起的变化。再从岩土的物质成分的组成、结构与构造的特点、含水状态以及疏密状态等性状来看,尽管人们已经在理论上和试验手段上做出很大努力,但是要做出与实际情况相同的各种参数是不可能做到的,这就说明岩土性状表现出很大的变异性,非人类完全所能控制的。在岩土工程中的许多工程现象和过程,表现出很大的随机性。其特征是实际情况往往难以预先知道,或者是仅在某种程度上可加以预估而无确切的把握[1]。
岩土工程不确定性的显著程度和变化幅度固有地存在于岩土工程设计和施工过程中[2]。为了处理这些不确定性问题与岩土工程的安全度问题,长期以来的做法是采用定值论的方法,用安全系数来表达安全程度,采用一个总的安全系数笼统地来考虑这种不确定性。此方法已经积累了相当丰富的经验,但是传统方法毕竟还是不够完备,此方法的最大缺点就是安全系数大小本身不可能对工程给出定量的意义,不能作为表示安全性的尺度[3],无法提供说明工程可靠性的评价指标。常用的安全系数法,在计算上常采用经验的办法去考虑工程中可能发生的最不利情况,但是这样做往往会有两种结果,一是不能排除采用该安全系数下工程失效的可能性,二是无法估计这种失效的可能性和其安全度究竟有多大。这就说明仅从安全系数中了解破坏的可能性或破坏的概率,是非常困难的事情。
设计中的每一个环节都是在大量的不确定性下进行的,虽然在实际工程中,按定值法计算出的安全系数是足够的,但是在实际当中却又可能发生失稳的现象。这说明单一的一个安全系数还不能完全解决不确定性问题。为了协调好安全与经
济这两矛盾体,又能处理好岩土工程中的不确定性问题,给岩土工程师们对其所关心的系统的安全度以及破坏的可能性或破坏的概率一个明确的答复,那么岩土工程中可靠性分析自然而然的就浮出水面。可靠度设计法的优点就是可以更全面地考虑诸因素的客观变异性,使所设计的工程更加合理,能够用严格的概率来度量其安全度,所以在岩土工程设计中采用可靠度分析法更符合实际。
2 可靠性理论的发展
所谓可靠性是指一个系统在给定的条件下和预计的时间内完成规定的功能运行的概率。可靠性理论萌芽于第二次世界大战,而在战后得到了完善与发展.当时是为了解决军用武器失效与失灵等问题,就引用了概率论和统计学的方法,从而就孕育了一门新的学科——可靠性理论。在第二次世界大战后,可靠性理论才得到了飞速的发展,也逐步应用于许多工程领域,并取得显著的成效。
可靠性理论在土木工程的结构方面的应用是开始得比较早的一个领域。1947年,苏联的尔然泥钦就提出了用一次二阶矩理论的方法来估计结构的失效概率;美国的弗罗伊詹特在40年代开创了美国结构安全度的研究工作,并在1951年提出,破坏概率的选择,应使结构建造费用与期望的破坏损失费的总和为最小的概念;尔后,美国的康乃尔(C.A.Cornell)、洪(A.H-S)和邓(W.H.Tang)发展了工程技术中应用的概率概念和方法。在60年代和70年代,土木工程结构可靠度的研究工作广泛的开展并逐步进入实用阶段。60年代美国成立了结构安全度委员会。我国从50年代初期开始用数理统计方法确定超载系数和材料强度系数。70年代成立了工业与民用建筑规范系列的《建筑结构设计统一标准》编委会和专题研究组等[1],总结了我国工程实践经验,并借鉴了国际标准《结构可靠性总原则》(ISO 2394),在征求了全国有关单位意见的基础上,先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-92)等6本统一标准。主要采用以随机可靠性理论为基础、以分项系数表达的概率极限状态设计方法,作为我国土木、建筑、水利等专业结构设计规范改革、修订的准则。我国从1982～1992年间有203篇有关“工程结构可靠性”的研究文献,内容非常丰富,包括结构可靠性一般理论的若干问题、介绍了我国在可靠性基本理论方面的研究工作、结构体系可靠性问题、结构动力可靠性问题、结构疲劳可靠性问题、岩土工程的可靠性问题、已有工程结构的可靠性鉴定等[4]。
3 岩土工程的可靠性研究和设计理论
由于岩土工程中大量的不确定性问题及不确知因素的存在,岩土工程的可靠度问题是工程可靠度分析研究中一个比较困难的问题,它的发展远落后于结构可靠度的发展[2]。可靠性理论在岩土工程中的应用,可以说是一个突破,也可以说岩土工程是可靠性理论应用的一个重要领域。早在1956年,卡萨格兰特(A.Casagrande)提出了土工和基础工程中计算风险的问题[5]。从20世纪60年代起[1-3],Hooper、Lumb P、Meyerhof松尾稔等人开始了关于土的性能统计性质的研究和资料收集。70年代对土性参数概率统计分析进入一个新的发展时期,从1972年开始,有许多
有关统计学和概率论在土工和结构工程方面的应用的相关论文不断发表。由国际标准化组织岩土工程技术委员会(ISO/TC182)主持编制的国际标准(草案)中规定采用极限状态设计原则和分项系数方法,并对各级岩土工程提出了可靠性指标β的建议值,这是岩土工程中可靠性研究进入实用阶段的标志,1975年Lumb P 首次提到土的空间变异性概念,1977年Van-marcke E H提出了土层剖面的概率模型,1981年Meyerhof GG在他的一篇论文中总结了岩土工程中极限状态设计方法,讨论了变异性、总安全系数和分项安全系数等问题。80年代内,可靠性理论在土工中的研究领域进一步扩大,除了土性参数和边坡外,内容涉及近海洋平台基础、锚桩、挡土墙以及基础的破坏模式和计算模拟的不确定性等。关于沉降,据松尾稔介绍,以Vanmarcke EH和Cornell C A为主的麻省理工学院研究小组取得较大成果;对于软土地基上的填土、天然及人工边坡、开挖地基等破坏问题或沉降观测问题,作为整个系统考虑的可靠性设计已经导出固定的公式。我国从70年代末才开展土力学中可靠性问题的研究。虽然起步较晚,但是发展较快,也很活跃的。不过在某些领域里其发展较慢,如在岩石方面开展研究较少,土动力学方面尚正在起步。经过二十多年的发展,在这方面出了不少专著和发表了不少论文,其中有系统性论述的,有关沉降概率分析,有关于岩土参数概率模型的,有关于渗透问题的和有关岩土参数的统计规律的,它们集中反映了我国岩土工程可靠性研究领域的进展情况。
70年代开始,国际上都不定期地召开有关统计学和概率论在土工和结构中应用以及岩土工程中概率分析方法的各种会议。1993年5月在丹麦哥本哈根召开
了岩土工程极限状态设计国际学术会议,收集的论文中都涉及到极限状态设计分析的各个方面。在1773年Coulomb基于极限状态的考虑,推导了粘性土上路堤的垂直界限高度;1857年Rankine提出了主动和被动土压力极限状态;1943年Terzaghi指出了岩土工程极限状态问题中的两大类,即稳定问题和弹性问题。世界上第一部极限状态标准是1956年的丹麦基础工程标准[2]。
在规范编制方面[1,2],波兰PN-83/B-02482和前苏联СНИП2.02-85桩基规程,均规定桩基要按照承载能力和正常使用两种极限状态进行计算,并给出了有关分项系数数值,加拿大的“岩土工程手册”采用了兼容并蓄的方法,同时列出总安全系数和建立在概率理论上的分项系数法。《欧洲地基基础规范》蓝本系统全面地论述了基础工程问题,并规定采用极限状态法的分项系数表达式进行设计。在我国,1990年1月颁布的《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7-89)按《统一标准》的要求对原规则作了较大的修改和补充,对各种指标基本上给出了标准值与变异系数的计算公式。1994年,颁布的《建筑桩基设计规范》(JGJ 94-94)规定按概率极限状态进行设计,考虑承载能力和正常使用两种极限状态,采用分项系数和标准值的适用设计式。
4 岩土参数的可靠性
土的性质对确定的时空而言是一个确定的值,但是土性参数的“真”值是未知的,它的大小只能通过有限的室内或现场试验的量测或观察去了解,其测值是变化的,而且离散性很大,具有很强的不确定性[2]。我们都知土工参数的不确定性主要来自两方面:一个是土体本身固有的变异性,由于土层在其形成过程中,矿物成分、土层深度、应力历史、含水量和密度等因素的变化,各点处土的性质可能有较大的差别;二是系统环境的不确定性,包括试验不确定性、模型的不确定性和统计不确定性以及岩土体所处环境变化的不确定性,在对土进行试验前,我们必须从野外取回土样并对其进行室内试验,那么在取样、试样运输及保管、测试时都会对之扰动,还有现在的试验方法和测试手段与技术等原因都会使得试验结果与现场土的工程性质不完全一致;对于模型的不确定性主要在于计算模型的不完备性,在这过程中,我们会有目的的对之进行各种简化,使之理想化以及对某些机理还未了解透彻等。
冷伍明[2]指出土性一般是由试样的测值来反映的,可以说试样测值反映的是
土的“点”性质。但地基的性状常常为一定范围内土性的平均值特性所控制,这就说明其具有空间变异性,土的空间平均性质的含义可以这样理解:一是土性参数不仅仅是一个随机变量,而且是一个随空间位置变化的随机变量,所以把土性随机变量的整体视为一个随机场更符合实际情况;二是在许多情况下,土工的行为或效能往往取决于土工所涉及范围内的空间平均特性[3]。土性的空间自相关性概念是由Cornell(1973年)首先提出的,土层中的任意两点的特性存在着自相关性,随着两点距离的增加,这种相关性减少;反之,自相关性增加[6]。表示土体参数空间变异性较好的方法是Vanmar-cke[7]提出的描述土体空间自相关特性的随机场模型,随机场理论用方差折减系数把土性的“点”变异性和空间变异性联系在一起。而方差折减系数则取决于土性的相关距离,相关距离是随机场应用于岩土工程可靠度计算中的一个重要的参数,它是衡量两个相隔一定距离的物理量之间的相关程度的基本距离[8]。求出相关距离后,进而求出方差折减系数,然后再从点方差求空间平均方差。按此空间平均方差所计算出的可靠度指标β才是反映岩土可靠性程度的标志。求解土性参数相关距离的方法主要有递推空间法、曲线极限法、相关函数法、半变异函数法、平均零跨距法和统计模拟法以及贝叶斯方法。
那么在岩当中又是如何的呢?在自然界中,大部分岩都被土所覆盖,随着现代化建设的发展,土木建筑工程中所涉及到岩基问题就越来越多了,此时就会涉及到岩体力学参数,各种各样的问题也就会随之产生。由于各种地质作用和环境因素改变着岩体的赋存性状和结构特征,使得岩体中形成断层、节理和裂隙;自然条件和人类活动也会引起岩体的物质组成、结构构造、力学性状的改变。不仅使岩体具有不连续性、非均质和各向异性等固有特性,导致岩体参数表现出较大的变异性,而且决定着岩体破坏形式的不确定性和工程荷载条件的随机性[9]。然而,目前人们只能在特定的时刻、特定的地点和范围内对岩体某个部位进行测量,然后基于一定的数学模型利用测量的结果去估测岩体的性状。这样无疑会给参数确定带来较大的误差,从而影响工程对精度的要求。作为地质体的一部分,地基岩体免不了会受到温度、地应力、地下水以及时间效应等多种环境因素的综合影响,是一种变异性很大的非均质各向异性地质体。其物理力学性质、荷载条件和破坏模式都具有较大不确定性。过去,人们一直把岩体力学参数视为随机变量,认为它服从随机概率分布。然而,由于工程地质岩组划分的模糊性及取样测试引入的随机性,
使得力学参数不确定性同时包含随机性和模糊性,因而是一随机模糊变量[10]。故此,岩体力学参数就不能简单地服从随机概率分布或模糊概率分布,而应服从随机模糊概率分布[11]。
岩土测试中会涉及到很多数据,如在试验中会收集大量的数据,怎样处理摆在面前的数据,就成为岩土工作者工作中的首要任务,也是为下一步的设计、施工、分析与评价提供较有代表意义的、较可靠的指标参数。岩土参数表现出随机性具有客观统计规律,因此基于概率统计的可靠性分析方法为处理这种现象提供了一条有效途径。它不仅可充分考虑参数的不确定性以及原始参数变异性的影响,还可在引入非确定性失效准则的基础上,得出其在可能出现情况下的失效概率,并给出工程的安全度或可靠度。因此必须对这些数据进行处理才能显示出它的规律性,利用现有的概率与数理统计的知识进行分析与拟合,得出规律性的认识,便于对参数进行可靠估计。
试验数据的可靠性检验内容应包括:异常实验数据的舍弃、实验数据的相关性检验、实验数据最小样本数检验、量测误差的消除。文献[12]、文献[13]提供了判断异常数据的三倍标准差法(又称Pauta准则)、小概率事件判别法(又称Chauvenet准则)和端值判别法(又称GrubbS方法),文献[14]则进一步推出另外两种新方法:即t检验准则法和非参数方法。实验数据的相关性检验则要求只有相互独立的数据才可进行概率统计分析,因此,实验数据必须进行相关性检验,以确定它们之间是否相互独立。土工问题中,实验数据的相关性是由土体自身的性质引起的,因而其相关性不能用求相关系数的方法来判别,而用自相关距离δ来判别。自相关距离δ可以通过递推平均法[7]求得。在地质工程中,总体分布参数的精确值一般是未知的,需通过样本观测值估计分布函数的某些参数值。土性概率模型一般来说是一个比较复杂且棘手的问题,一般认为岩土特性参数的概率模型大都服从正态或对数正态分布,不过也有一些服从β分布[1]、极值I型分布(Gumbel 分布)[1,15]、联合分布[1,16]等。目前,总体参数估计方法主要有:矩法、最大似然法[19]和贝叶斯估计法[16,17]等。
目前,可靠度计算方法[12]包括Monte-Carlo模拟方法、统计矩计算法、可靠指标法和随机场有限元法四种,文献[8]中也提出改进的Monte-carlo法,它考虑了土性指标的自相关性和互相关性。在上四种方法中以可靠指标法比较适用,主要
有均值一次二阶矩法、改进一次二阶矩法和结构工程可靠度分析中常用的JC法。均值一次二阶矩法在均值点附近对功能函数线性化,由于选用的线性化点一般在可靠区而不在失效边界上,因而会给非线性功能函数带来相当大的误差,同一问题,用不同的极限状态方程,将得到不同的可靠度指标,而改进一次二阶矩法克服了上述方法的缺点,将设计验算点选在失效边界的最大可能失效概率上,因而比较适合于统计独立的正态分布变量,计算精度也满足工程要求[9]。JC法的基本原理是将非正态分布的随机变量用当量正态分布的随机变量代替,并要求替代的分布与正态分布在设计验算点处的累积概率分布函数值和概率密度函数值相等,再用一次二阶矩法求得可靠度指标。在岩土可靠度计算模式中我们必须考虑土性的相关性,这个相关性有正相关和负相关,如果不考虑其相关性,某些参数将会受到很大的影响,如土的c、φ值就是典型的例子,其影响已有人做过研究我们可参看文献[18]。由于土性参数之间有相互关性,因此在计算概率模式中就会出现协方差项,然而许多可靠性分析中都是假定参数间是相互独立的,因而必须对之进行修正。
5 结语
(1)可靠性在岩土工程中的应用是愈来愈广泛,其面也是越来越广,研究深度较以前就更深一层次。使得岩土工程中的不确定性问题有方可寻,但岩土工程设计中存在着许多不确定性问题,至今还没有一一确定,因此对那些不确定性较大的环节,我们必须着重研究。虽然可靠性分析方法有如此的功效,但它并没有取代一直还沿用着的定值法,也没有必要,我们可以充分利用这两种方法,相互补充,发挥它们更强大的作用。但我们也必须认清可靠度分析方法中采用的分项系数与定值法中的总安全系数在本质上是不同的,影响可靠度的各个因素可以分别研究,某一方面若有进展,就可修改相应的分项系数,以获得工程效益。这在常规定值法中是无法实现的。
(2)可靠性研究在岩土工程中的发展历程已将近半个世纪,涉及到土、岩的很多方面,取得了丰富成果,提出了许多实用性较强的计算模型、分布模型和计算公式。尽管成果这么丰富,但是涉及到半成岩状态的泥质岩问题的可靠性问题时,却是少之又少,几乎一片空白。由于泥岩的物质组成、工程特性和力学性质的特殊性和复杂性,以及各种不确定因素的存在,泥岩参数的可靠性一直受到人们的质疑。因此,对于泥岩参数可靠性研究,我们可以采取理论与试验方法相结合的路子,从分析影响泥岩力学特性、结构强度、物质组成等内在因素,以及环境场影响的外在因素,提取关键的影响因子,结合试验方法,应用现有的测试手段,去“恢复”泥岩天然下的原有应力状态,从而获取相关参数,应用概率统计的理论知识和已有相关成果对其进行可靠性分析。
(3)从试验角度可对泥岩试验参数的可靠性进行研究。在以往我们对岩土工程的可靠性进行各种分析时,往往是将从土工试验中获得的参数数据进行数理统计分析,很少对试验方法、测试手段以及影响参数的各种因素进行综合改进分析,仅进行数据处理的方法是片面的。泥岩钻取这一过程中所发生机械冲击以及水作用下
的所有扰动,引起的泥岩结构变异、应力释放、能量削弱等会对泥岩力学性质造成重大影响并发生突变的现象,那么在考虑泥岩结构、应力、能量等因素时,对试验手段与方法、试验设备进行改进,提高试验技术,可提高泥岩参数的可靠性。
参考文献:
[1]高大钊.土力学可靠性原理[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.
[2]冷伍明.基础工程可靠度分析与设计理论[M].长沙:中南大学出版社,2000.
[3]松尾稔著.万国朝,李杨海,等译.地基工程学[M].北京:人民交通出版社,1990.
[4]赵国藩,贡金鑫,等.我国土木工程结构可靠性研究的一些进展.大连理工大学学报[J].2000,40(3):253～258.
[5]Casagrande,A..Role of The Calculated Risk in Earthwork and Foundation Engineering(The Terzaghi Lecture).ASCE.1956,V ol.91,SM4.
[6]李小勇,谢康和.土性参数相关距离的计算研究和统计分析[J].岩土力学.2000,21(4):350～353.
[7]Vanmarcke EH..Probabilistic Modeling of soil Profiles.AS-CE.1977,GT11:1227～1246.
[8]白顺果,张鸿儒,黄春霞.考虑土性参数空间变异性的地基承载力可靠性分析[J].北方交通大学学报.2004,28(1):32～34.
[9]宋建波,等.岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用[M].北京:地质出版社,2002.
[10]熊文林,李胡生.岩石样本力学参数值的随机-模糊处理方法.岩土工程学报[J].1992,14(6):101～108.
[11]黄志全,王思敬,等.岩体力学参数取值的置信度及其可靠性[J].岩石力学与工程学报.1999,18(1):33～35.
[12]吴甫群.工程勘察测试数据的可靠性检验[J].岩土工程学报.1991,13(3):93.
[13]岩土工程手册编委会.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.
[14]王士杰,宇云飞,等.土工测试数据的可靠性检验[J].四川建筑科学研究.1999,(1):39～42.
[15]朱宏.I型极值分布样本多个异常值的检验[J].电子科技大学学报.1994,23(3):323～327.
[16]光耀华.岩石抗剪强度指标的概率分析[J].岩石力学与工程学报.1994,13(4):349～356.
[17]白顺果,冯玉娟.贝叶斯方法在岩土工程可靠性分析中的应用[J].化工建设工程.2001,第23卷第4期:47～48.
[18]包承纲.可靠度分析方法在岩土工程中的应用[J].人民长江.1996,27(5):1～5.
[19]吴翊.应用数理统计[M].北京:国防科技大学出版社,1995.
荷载与结构设计原理总复习题 一、判断题 1.严格地讲，狭义的荷载与直接作用等价，广义的荷载与间接作用等价。（N） 2.狭义的荷载与直接作用等价，广义的荷载与作用等价。（Y） 3.广义的荷载包括直接作用和间接作用。（Y） 4.按照间接作用的定义，温度变化、基础不均匀沉降、风压力、地震等均是间接作用。（N） 5.由于地震、温度变化、基础不均匀沉降、焊接等引起的结构内力变形等效应的因素称为间接作用。（Y） 6.土压力、风压力、水压力是荷载，由爆炸、离心作用等产生的作用在物体上的惯性力不是荷载。（N） 7.由于雪荷载是房屋屋面的主要荷载之一，所以基本雪压是针对屋面上积雪荷载定义的。（N）8.雪重度是一个常量，不随时间和空间的变化而变化。（N） 9.雪重度并非一个常量，它随时间和空间的变化而变化。（N） 10.虽然最大雪重度和最大雪深两者有很密切的 关系，但是两者不一定同时出现。（Y） 11.汽车重力标准是车列荷载和车道荷载，车列荷 载是一集中力加一均布荷载的汽车重力形式。 （N） 12.烈度是指某一地区遭受一次地震影响的强弱程度，与震级和震源深度有关，一次地震有多个烈度。（Y） 13．考虑到荷载不可能同时达到最大，所以在实际工程设计时，当出现两个或两个以上荷载时，应采用荷载组合值。（N） 14.当楼面活荷载的影响面积超过一定数值需要 对均布活荷载的取值进行折减。（Y） 15.土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外 荷载作用对墙背产生的土压力。（Y） 16.波浪荷载一般根据结构型式不同，分别采用不同的计算方法。（Y） 17.先张法是有粘结的预加力方法，后张法是无粘结的预加力方法。（Y） 18.在同一大气环境中，各类地貌梯度风速不同，地貌越粗糙，梯度风速越小。（N）19.结构构件抗力R是多个随机变量的函数，且近似服从正态分布。（N） 20.温度作用和变形作用在静定结构中不产生内力，而在超静定结构中产生内力。（Y） 21.结构可靠指标越大，结构失效概率越小，结构越可靠。（Y） 22.朗肯土压力理论中假设挡土墙的墙背竖直、光滑、填土面水平无超载。（Y） 23.在朗肯土压力理论的假设中，墙背与填土之间既无摩擦力也无剪力存在。（Y） 24.在朗肯土压力理论的假设中，墙背与填土之间虽然无摩擦力，但仍有剪力存在。（N） 25.土的自重应力为土自身有效重力在土体中引起的应力。（Y） 26.不但风的作用会引起结构物的共振，水的作用也会引起结构物的共振。（Y） 27.平均风速越大，脉动风的幅值越大，频率越高。（N） 28.风压是指风以一定的速度向前运动受到阻塞时对阻塞物产生的压力。（Y） 29.地震作用中的体波可以分为横波和纵波，两者均可在液体和固体中传播。（N） 30.如果波浪发生破碎的位置距离直墙在半个波 长以内，这种破碎波就称为近区破碎波。（Y）31.远区破碎波与近区破碎波的分界线为波浪破 碎时发生在一个波长的范围内。（N） 32.在实际工程设计时，当出现可变荷载，应采用 其荷载组合值。（N） 33.对于静定结构，结构体系的可靠度总大于或等 于构件的可靠度。（N） 34.对于超静定结构，当结构的失效形态不唯一 时，结构体系的可靠度总小于或等于结构每一失效形态对应的可靠度。（Y） 35.结构设计的目标是确保结构的承载能力足以 抵抗内力，而变形控制在结构能正常使用的范围内。（Y） 36.对实际工程问题来说，由于抗力常用多个影响 大小相近的随机变量相乘而得，则其概率分布一般来说是正态的。（N） 37.结构可靠度是指结构可靠性的概率度量，是结 构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。
可靠性工程的发展历程 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性又可分为两种：一种是固有可靠性，是指产品在设计、制造过程中，产品对象已经赋予的固有属性，这部分的可靠性是在产品在设计开发时可以控制的；一种是使用可靠性，是指产品在实际使用过程中表现出来的可靠性，除了固有可选性的影响因素外，还需要考虑产品安装、操作使用、维修保障等各方面因素的影响。 可靠性和质量不可分离，其前身是伴随着兵器的发展而诞生和发展。 在公元前26世纪的冷兵器时期，到1703年英法两国完全取消长矛为止，前后经历了4000年发展成长的漫长过程中，人类已经对当时所制作的石兵器进行了简单检验。在殷商时代已有的文字记载中，就有关于生产状况和产品质量的监督和检验，对质量和可靠性方面已有了朴素的认识。热兵器的成熟期在国际上二战时期德国使用火箭和美国使用原子弹为标志。当时，德国发射的火箭不可靠及美国的航空无线电设备不能正常工作。德国使用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭没有起飞就爆炸，还有的火箭没有到达目的地就坠落；美国当时的航空无线电设备有60%不能正常工作，其电子设备在规定的使用期限内仅有30%的时间能有效工作。二战期间，因可靠性引起的飞机损失惨重，损失飞机2100架，是被击落飞机的1.5倍。 其实，与可靠性有关的数学基础理论很早就发展起来了。可靠性最主要的理论基础概率论早在17 世纪初就逐步确立；另一主要基础理论数理统计学在20世纪30 年代初期也得到了迅速发展；作为与工程实践的结合,除了三、四十年代提出的机械维修概率、长途电话强度的概率分布、更新理论、试件疲劳与极限理论的关系外，1939 年瑞典人威布尔为了描述材料的疲劳强度而提出了威布尔分布，后来成为可靠性最常用的分布之一。德国的V-1火箭是第一个运用系统可靠性理论计算的飞行器。德国在研制V-1火箭后期，提出用串联系统理论，得出火箭系统可靠度等于所有元器件、零部件乘积的结论。根据可选性乘积定律，计算出该火箭可靠度为0.75。而电子管的可选性太差是导致美国航空无线电设备可靠性问题的最大因素。于是美国在1943年成立成立电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。所以，二十世纪四十年代被认为是可靠性萌芽时期。到了20世纪中期，是可靠性兴起和形成的重要时期。为了解决电子设备和复杂导弹
关于岩土工程设计安全度 1工程安全度的表达； （1）容许应力法（allowable stress method） 容许应力法是在正常使用条件下,构件（岩土）强度有一定储备,变形能满足要求,安全度隐含其中,不需要知道极限承载能力.荷载和抗力的取值都是定值,建立在经验的基础上. （2）总安全系数法(single safety factor method) 总安全系数法也称单一安全系数法,也是将设计变量视为非随机变量,用总安全系数表达,即在承载能力上根据经验打一个折扣,作为安全储备. （3）概率极限状态法(probability limit state method) 整个工程或工程的一部分,超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求,这个特定状态称为该功能的极限状态,各种极限状态都有明确的标志或限值.极限状态法是将结件（岩土）置于极限状态考察,找到达到极限状态（承载能力、变形）时的抗力. 无论作用（荷载）还是抗力,客观上都是随机变量,将设计变量视为随机变量,对作用、抗力、安全度进行概率分析,按失效概率量度设计的可靠性,将安全储备建立在概率分析的基础上,这种设计方法称为概率法. 国际上通常将概率极限状态法划分为三个水准；即水准I、水准Ⅱ和水准Ⅲ.目前普遍采用的是水准Ⅱ即近似概率法,
以可靠指标β为安全量度指标,用分项系数表达.分项系数可以简单理解为多项安全系数,与总安全系数不同,安全系数分别打在各项荷载、各项抗力上. 以上只是简单理解,不是严格定义. 2岩土工程的安全度问题 由上可知,容许应力法最粗糙,也最简单；概率极限状态法最精细,也最复杂.自从《建筑结构设计统一标准》 （GBJ68-84）和《工程结构可靠度设计统一标准》 （GB50153-92）发布以后,对结构规范和岩土规范的制订和修订影响很大.结构规范早已普遍采用了概率极限状态法,用分项系数表达；岩土工程由于固有的复杂性和研究积累的不足,至今未能普遍采用.目前是多种方法混用,一般涉及结构设计（如基础、桩身、支撑结构）时采用概率极限状态法,用分项系数表达；涉及地基承载力时用容许应力法；涉及稳定分析时用总安全系数法.因此,同一工程的计算,可能用不同的安全度表达方法,不同的安全度表达采用的荷载和抗力也不一样.由于各本规范的编制组对安全度的理解不同,同一概念可能有不同的术语,同一术语可能有不同的含义,极易造成执行者的误解,专家都可能掉入陷阱,应予充分注意.我说的“不要乱猜”,就是这个意思. 3对特征值和标准值的理解 对地基承载力,我国长期习惯于容许应力法.《建筑地基基础设计规范》早期称地基容许承载力,《89规范》称承载力标准值,但名不符实,并无概率意义,仍是容许值.后来改称
×密 产品名称(产品代号) 质量和可靠性报告 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 标审：日期： 会签：日期： 批准：日期： 第 1 页共 15 页
目次 1 概述 (3) 1.1 产品概况 (3) 1.2 工作概述 (3) 2 质量要求 (3) 2.1 质量目标 (3) 2.2 质量保证原则 (3) 2.3 产品质量保证相关文件 (3) 3 质量保证控制 (3) 3.1 质量管理体系控制 (4) 3.2 研制过程质量控制 (4) 4 可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性情况 (9) 4.1 可靠性 (9) 4.2 维修性 (10) 4.3 测试性 (10) 4.4 保障性 (11) 4.5 安全性 (11) 5 质量问题分析与处理 (12) 5.1 重大和严重质量问题分析与处理 (12) 5.2 质量数据分析 (12) 5.3 遗留质量问题及解决情况 (13) 5.4 售后服务保证质量风险分析 (13) 6 质量改进措施及建议 (13) 7 结论意见 (13) 第 2 页共 15 页
产品名称（产品代号） 质量和可靠性报告 1 概述 1.1 产品概况 主要包括： a)产品用途； b)产品组成。 1.2 工作概述 主要包括： a) 研制过程（研制节点）； b) 研制技术特点； c) 产品质量保证特点； d) 产品质量保证概况； e) 试验验证情况； f) 配套情况； g) 可靠性维修性测试性保障性安全性工作组织机构及运行管理情况； h) 可靠性维修性测试性保障性安全性文件的制定与执行情况。 i) 其它情况。 2 质量要求 2.1 质量目标 说明通过产品质量工作策划对实现顾客产品的要求，承制方需要满足期望的质量并能持续保持该质量的能力。 2.2 质量保证原则 简要通过产品质量工作策划对实现顾客产品的要求的原则。如：用户至上，持续改进，过程控制，激励创新，一次成功等。 2.3 产品质量保证相关文件 简要说明产品质量保证大纲的要求及质量保证相关文件。 3 质量保证控制 第 3 页共 15 页
精心整理土木工程学院工程课程报告 课程：《岩土工程测试》 班级： 专业： 3.6、动力触探试验 .............................................................................. 错误!未指定书签。 3.7、岩石力学参数测定 ...................................................................... 错误!未指定书签。 3.8、软岩及土的流变试验 .................................................................. 错误!未指定书签。 3.8.1、软岩的特征与流变特性 .......................................................... 错误!未指定书签。 3.9、岩土中的应力测量 ...................................................................... 错误!未指定书签。 3.10、超声波测试 ................................................................................ 错误!未指定书签。 3.11、桩基检测试验 ............................................................................ 错误!未指定书签。
下文是对常见的三种可靠性试验进行分析和比较，可从试验目的、试验条件、试验方案或项目、试验合格性和受试产品的失效判据五个方面进行 (一)试验目的 A.可靠性增长试验 在研制过程中模拟实际的或加速的使用条件进行试验，使产品存在的设计（包括电路设计、结构设计和工艺设计）缺陷变为硬故障而充分暴露，对故障进行分析、采取纠正措施，根除故障产生的原因或降低故障率到可以接受的值，使产品的固有可靠性得到增长。 B.可靠性鉴定试验 验证产品的设计能否在规定的环境条件下满足规定的性能及可靠性要求。试验结果作为判断设备能否定型的依据。适用于设计定型的鉴定。 C.ORT 试验 对产品各项指标进行全面检验，以评定产品质量和可靠性是否全部符合标准和达到设计要求。对于批量生产的产品检验其质量稳定性和一致性。适用于生产定型、批量生产后的一定周期和在产品设计、工艺、材料有较大变动后的检验。 (二)试验条件①电应力 A.可靠性增长试验 根据输入交流电源电压和输入直流电源电压的允许变化范围，部分时间在设计的标称输入电压下工作，部分时间在最高输入电压下工作，部分时间在最低输入电压下工作。例如：程控用户交换机应在AC220V，DC-48V、DC-40V～-57V范围内正常完成接续。 B.可靠性鉴定试验 同可靠性增长试验 C.ORT 试验 除电源电压拉偏试验外，在标称输入电压下工作。电源拉偏试验根据不同的产品参考有关标准在最高、最低电压下工作。 (二)试验条件②热应力 A.可靠性增长试验 所施加的应力强度可略高于使用时的应力强度，以不引起新的故障机理为限。如温度循环一般可以将略高于产品高温温度、略低于产品低温温度作为温度循环的上、下限温度，温度变化率可取5℃/min或10℃/min。循环周期时间根据温度变化率而定。 B.可靠性鉴定试验 将产品工作高温温度作为试验温度。 C.ORT 试验 按产品标准的工作高、低温温度进行各种功能和指标的检验。 按产品标准的储运高、低温温度进行储运试验。 (二)试验条件③潮湿应力 A.可靠性增长试验 预计受试产品在现场使用环境中会有明显的冷凝和结霜时，则在高温下应施加潮湿应力。B.可靠性鉴定试验 同可靠性增长试验 C.ORT 试验 应进行恒定湿热试验，湿度一般为90%~95%，高温温度一般为产品标准的工作高温温度。
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岩土工程的现状及发展 作者：陈东佐， 李静， Chen Dongzuo， Li Jing 作者单位：陈东佐,Chen Dongzuo(太原大学,建工系,山西,太原,030009)， 李静,Li Jing(山西城市建设职工中专,山西,太原,030013) 刊名： 太原大学学报 英文刊名：JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY 年，卷(期)：2003,4(3) 被引用次数：2次 本文读者也读过(10条) 1.李远耀.殷坤龙.代云霞基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的岩坡稳定性分析[会议论文]-2008 2.谢国忠.曾庆招浅谈岩土工程的发展[期刊论文]-四川建材2006,32(6) 3.胡岱文.吴曙光土力学与基础工程课程教学改革与实践[会议论文]-2006 4.龚晓南.马克生.白晓红.梁仁旺.巨玉文.张小菊复合地基沉降可靠度分析[会议论文]-2002 5.李晓俊.白晓红.黄仙枝土工带加筋碎石土本构关系的三轴试验研究[会议论文]-2004 6.陈东佐.梁仁旺水泥土桩及CFG桩复合地基问题的探讨[期刊论文]-太原理工大学学报2003,34(3) 7.阎凤翔.白晓红.梁仁旺.栗润德太原东山黄土静力与动力性质对比[会议论文]-2004 8.白晓红.黄仙枝.岂连生土工加筋带技术在建筑地基中应用[会议论文]-2006 9.王佳.白晓红.贺武斌.贾军刚湿陷性黄土的原位载荷试验研究[会议论文]-2005 10.张平.尹建军.杨存龙.李宁.ZHANG Ping.YIN Jianjun.YANG Cunlong.LI Ning H-B准则及其在某公路隧洞支护设计中的应用[期刊论文]-中南公路工程2006,31(6) 引证文献(2条) 1.王元锋.黎来福.张虹野浅议岩土工程新发展[期刊论文]-山西建筑 2007(33) 2.唐春海上部结构与地基基础静力共同作用研究的回顾与展望[期刊论文]-中国科技信息 2005(12) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/ef7190107.html,/Periodical_tydxxb200303012.aspx
建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068-2001 中华人民共和国国家标准 建筑结构可靠度设计统一标准 Unified standard for reliability design of building structures GB 50068-2001 主编部门：中华人民共和国建设部 批准部门：中华人民共和国建设部 施行日期：2002年3月1日 关于发布国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》的通知 建标[2001]230 号 根据我部“关于印发《一九九七年工程建设标准制订、修订计划的通知》”（建标[1997]108号）的要求，由建设部会同有关部门共同修订的《建筑结构可靠度设计统一标准》，经有关部门会审，批准为国家标准，编号为GB 50068-2001 ，自2002年3月1日起施行。其中1.0.5，1.0.8为强制性条文，必须严格执行，原《建筑结构设计统一标准》GBJ 68-84 于2002年12月31日废止。 本标准由建设部负责管理，中国建筑科学研究院负责具体解释工作。建设部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行。 中华人民共和国建设部 2001年11月13日 前言 本标准是根据建设部建标[1997]108 号文的要求，由中国建筑科学研究院会同有关单位对原《建筑结构设计统一标准》(GBJ 68-84)共同修订而成的。 本次修订的内容有：
1.标准的适用范围:鉴于《建筑地基基础设计规范》、《建筑抗震设计规范》在结构可靠度设计方法上有一定特殊性，从原标准要求的"应遵守"本标准，改为"宜遵守"本标准； 2.根据《工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50153-92)的规定，增加了有关设计工作状况的规定，并明确了设计状况与极限状态的关系； 3.借鉴最新版国际标准ISO 2394:1998 《结构可靠度总原则》，给出了不同类型建筑结构的设计使用年限； 4.在承载能力极限状态的设计表达式中，对于荷载效应的基本组合，增加了永久荷载效应为主时起控制作用的组合式； 5.对楼面活荷载、风荷载、雪荷载标准值的取值原则和结构构件的可靠指标以及结构重要性系数等作了调整； 6.首次对结构构件正常使用的可靠度做出了规定，这将促进房屋使用性能的改善和可靠度设计方法的发展； 7.取消了原标准的附件。 本标准黑体字标志的条文为强制性条文，必须严格执行。 本标准将来可能需要进行局部修订，有关局部修订的信息和条文内容将刊登在《工程建设标准化》杂志上。 为了提高标准质量，请各单位在执行本标准的过程中，注意总结经验，积累资料，随时将有关的意见和建议寄给中国建筑科学研究院，以供今后修订时参考。 本标准主编单位：中国建筑科学研究院 本标准参编单位：中国建筑东北设计研究院，重庆大学，中南建筑设计院，四川省建筑科学研究院，福建师范大学。 本标准主要起草人：李明顺胡德炘史志华陶学康陈基发白生翔苑振芳戴国欣陈雪庭王永维钟亮戴国莹林忠民 1 总则 1.0.1 为统一各类材料的建筑结构可靠度设计的基本原则和方法，使设计符合技术先进，经济合理、安全适用、确保质量的要求，制定本标准。 1.0.2 本标准适用于建筑结构，组成结构的构件及地基基础的设计。
岩土工程勘察的可靠性控制和置信度
岩土工程勘察的可靠性控制和置信度 作为工程建筑场地,工程设计所需的地质参数的可靠性如何,直接关系到工程建设的经济与安全性。探讨岩土工程地质参数精度评价的方法，包括数据优选、确定最优样本及计算可靠度。按不同设计阶段给定的目标值评价其置信度。 我们对地质体的认识就是从随机现象开始，从观测或试验所积累的丰度，数据的离散性决定了地质参数的变异性。这就有一个精度问题。样本多、指标精度高，置信概率大，其工作量和消耗的费用也大。反而从有限的测试样本中统计出来的指标，其可靠性是不高的。 一、当前岩土工程勘察实行市场化、全面放开，勘察单位互相竞争，相互压价，最为突出的问题是： 1、对场地土层取原状土试样数量少，把不同成因的土层亦归为一层 取6件土样。 2、布孔：把勘探孔布在建筑物中间，造成二排孔变成一排孔，或变 成一个梅花型和变成一个折线形。有的在复杂的山前倾斜平原 中，也不论地质条件复杂程度如何，仍按方格网布孔。孔的间距 定在规范允许的上限，造成控制不了查明暗藏的河道、河滨等对 工程不利的埋藏物夹层或透镜体的分布范围。 3、钻探：对要求鉴别地层和取样钻孔，开孔就采用送水钻进的方 法。钻进中，把水量开得很大，使孔内岩芯搅成泥返出孔口，同 时回次进尺把主要持力层或重点部位控制在0.5米以上，一般地层钻进中回次进尺也超过2米，在巨厚的淤泥质土中，回次进尺甚
至达10多米，对于钻粉土、砂层和卵石层，没有采用优质泥浆，泥浆的浓度也未控制，致使出现坍孔、埋钻，取不上岩芯，造成岩芯采取率达不到规范的要求。 4、取样：对采取I、II级土试样，不用薄壁取土器取土样或快速连续 静压方式贯入器，采取原状土试样，而采用直接从送水冲出来的岩芯，或从岩芯管中顿出来的岩芯装入铁皮筒中，作为原状土试样，没有及时进行贴标签、封蜡、用胶带纸代替蜡封口，导致土样严重失水。运输土样也没有专用土样箱，扰动、振动，致使含水量、孔隙比、液性指数、压缩性系数和抗剪强度指标严重失 真。 5、地下水的量测：地层中有潜水含水层和承压含水层时没有采取止 水措施，将被测潜水含水层和承压含水层隔开量测水位，只测得一个混合水位和水头，常作为孔隙潜水位。 6、原位测试：对标贯和动探试验不规范行为：①没有清除孔底废土 就进行试验。②试验中深度不到底，其结果与野外鉴定和室内试验结果不吻合，出现偏低情况。③动探和标贯器破损严重仍在使用，导致数据严重失真。进尺过大导致分层困难。 7、室内岩土试验：试验人员发现异常情况，未与原始记录核对。不 对实验结果进行分析对比，给工程质量安全留下隐患。 8、地基评价：勘察报告定性多，定量少，尤其是对岩土体的变形、 强度和稳定性定量分析少。地基评价一般化，老一套，真正解决施工问题的很少。①每个场地只取一件水样就对建筑材料腐蚀性
谈遗传算法在岩土工程可靠度分析中的应用 摘要：在岩土工程中影响工程安全性的因素都存在着不同程度的不确定性，可 靠度分析方法就是对这些不确定性进行研究，并估计它对岩土工程安全性的影响。运用遗传算法的原理对岩土工程中的可靠指标进行计算，并对验算点的全局优化 算法进行设计。在岩土工程可靠度分析中运用遗传算法原理，克服了传统方法的 缺点，避免了求导数工作的繁琐。 关键词：遗传算法；岩土工程；可靠度分析；应用 引言： 岩土要错综复杂具有变异的性质，因此岩土工程具有不确定性的特点，在进行施工时必 须全面考虑工程的各种不确定性因素，如岩土的物理性质、荷载、抗力等变力，进而提高工 程的安全可靠性。但是由于岩土工程的受力变形机制的复杂性，很难用解析的方法获得作用 效应的显式解，而且功能函数的隐式具有非线性程度高。Duncan 在传统安全系数的基础上提 出了一种简单的可靠度分析法。这种方法只有使用和常规分析中类型和数量相同的数据就可 以进行近似的可靠度的分析。在岩土工程的可靠性分析中，经常采用的方法有一次二阶矩和 二次二阶矩及优化方法等。这些方法对于极限状态的方程是线性方程，而且各个随机变量服 从正态颁布，因此得到的可靠指标和可靠度都是精确的，因此只对显式的功能函数适用。否 则结果就是近似的，有些甚至还会出现不收敛的现象。因此许多学者开始寻找其他的数值方法。有的学者提代出采用一种同时取功能函数级数展开的一次项和二次项的方法，提出了采 用二次二阶矩法和基于四阶矩的最大熵密度法。还有一种加到求解可靠指标的基本问题的方法。也就是求解可靠指标发球求解极限状态曲面到原点最短距离的优化问题的方法。优化方 法求解可靠指标是一种非常有效的求解方法。但是目前大部分优化方法求解是非常复杂的， 在求解时可能会运用于功能函数的二阶偏导数或者逆矩阵，甚至有时还陷入了局部极小值。 本文基于可靠指标的几何涵义，采用遗传算法对岩土工程的可靠度进行计算，希望能够在数 量不多的模拟次数中达到精度的要求，同时得到可靠性指标和设计验算点，进而适应岩土工 程功能函数的高次非线性和复杂性。 一、可靠性分析的可行性 可靠性分析法在我国于20世纪80年代开始通知于岩土工程实践中，在21世纪后，可这 个方法得到了许多学生的关注，并对其实用性进行了考察验证，可以得知这种方法是可行的。岩土工程中存在着许多不确定的因素，因此人们对传统的定值法设计产生了疑问。如1970 年8月，旧金山港口修建一座轻型码头的过程，水下边坡就发生了失稳。这是由于按照以前 的经验可知旧金山地区在这个海湾土层开挖水下边坡坡比至少为1：1，进行LASH码头边坡 稳定分析可知1：1坡度的边坡的安全系数为1.25。这个安全系数是确定性方法来进行分析的，通过计算可知这个边坡是稳定的。可是在实际的施工过程中却出现了换称现象。后来采 用Taylor 级数展开技术分析可靠性，则得到边坡的失效概率为18%，由此可见，边坡的稳定 性破坏的风险很大。由此可见，如果运用可靠度分析确定边坡的合理坡比可以节省土方工程量，还可以避免结构失稳而带来的经济损失。由于岩土强度测试具有较大的离散性，传统的 确定参数和安全系数的概念已不完全适用。可靠度理论为岩土力学提供了一种合适的分析的 方法，这种方法以概率理论为基础，能够为岩土结构的设计提供可靠依据，在保证工程安全 的同时，减少了工程破坏的经济损失。 二、遗传算法原理 遗传算法的解题能力强而且适应范围广，近些年来，遗传算法在岩土工程中应用的越来 越多。GA根据生物进化论和遗传学论采用数学的方法对生物进化的过程进行模拟，并把问题的求解转化为对一群染色体的一系列操作。通过转化，收敛到一个最能适应环境的染色体上面，进而求得问题的最优解。在一个给定的优化问题中，可以把目标函数设为F= f(x,y,z) x,y,z∈Ω,F∈ R (1)在式子中， x,y,z都是自变量;Ω是解空间; F是解的优劣程度，; f是映射函数。要想求求(x＊,y＊,z＊),可以先求其最小值， 则GA的求解如下：
工程结构可靠度设计统一标准 第一章总则 第二章极限状态设计原则 第三章结构上的作用 第四章材料和岩土的性能及几何参数 第五章结构分析 第六章分项系数设计方法 第七章质量控制要求 附录一结构可靠指标计算的一次二阶矩法 附录二永久作用、可变作用和偶然作用举例 附录三永久作用标准值的确定原则 附录四可变作用标准值的确定原则 附录五可变作用准永久值和频遇值的确定原则附录六本标准用词说明 附加说明 第一章总则 第1.0.1 条为统一工程结构可靠度设计的基本原则和方法，使设计符合技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的要求，制定本标准。 第1.0.2 条本标准是制定房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电工程结构可靠度设计统一标准应遵守的准则。在各类工程结构的统一标准中尚应制定相应的具体规定。 第1.0.3 条本标准适用于整个结构、组成整个结构的构件以及地基基础，适用于结构的施工阶段和使用阶段。 第1.0.4 条工程结构必须满足下列功能要求： 一、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； 二、在正常使用时，具有良好的工作性能； 三、在正常维护下，具有足够的耐久性能； 四、在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性。 第1.0.5 条结构在规定的时间内，在规定的条件下，对完成其预定功能应具有足够的可靠度，可靠度一般可用概率度量。 确定结构可靠度及其有关设计参数时，应结合结构使用期选定适当的设计基准期作为结构可靠度设计所依据的时间参数。 第1.0.6条工程结构设计宜采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法。
第1.0.7条工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命，造成经济损失，产生社会影响等）的严重性，采用表1.0.7规定的安全等级。 工程结构的安全等级表1.0.7 注：对特殊结构，其安全等级可按具体情况确定。 第1.0.8条工程结构中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件 的安全等级可适当提高或降低，但不得低于三级。 第1.0.9条对不同安全等级的结构构件，应规定相应的可靠度。 第1.0.10条工程结构应按其破坏前有无明显变形或其它预兆区别为延性破坏和脆性破坏两种破坏类型。对脆性破坏的结构，其规定的可靠度应比延性破坏的结构适当提高。 第1.0.11条当有条件时，工程结构宜按结构体系进行可靠度设计。结构体系可靠度设计，应根据结构 破坏特点选定主要破坏模式，并通过结构选型或调正构件可靠度，提高整个结构可靠度设计的合理性。 第1.0.12条为了保证工程结构具有规定的可靠度，应对结构设计所依据的主要条件进行相应的控制。 应根据结构的安全等级划分相应的控制等级。对控制的具体要求，由有关的勘察、设计、施工及使用等标准专门规定。 第二章极限状态设计原则 第2.0.1条整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态应为该功能的极限状态。 对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志及限值。 第2.0.2条极限状态可分为下列两类： 、承载能力极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的 变形 当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：1．整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）；2．结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承
岩土工程中安全系数和可靠度的探讨 【摘要】简单的可靠度分析方法不需要复杂的理论和难懂的术语, 仅仅在常规分析的基础再向前一步,就可以在日常岩土工程实践中应用。简单的可靠度分析不仅能够评价计算中参数不确定性带来的综合影响,而且还为常规分析提供了有益的补充。可靠度分析所需要的附加数据—标准差—可以使用与常规分析相同类型和数量的数据获得。 该方法的简单和实用性通过稳定计算实例得到了验证。 1 简介 在常规岩土工程实践中使用基于经验的安全系数是合乎逻辑的。然而,通常在同一类应用中,如长期边坡稳定,使用相同的安全系数值,而忽略了问题的不确定性。在规范或习惯中,常将同一个安全系数应用于不确定性变因素化很大的不同条件,这样就不太合理了。 可靠度计算能够估计不确定因素的综合效果,以及区分不确定性的相对大小。虽然有这么多的优点,但是可靠度方法在日常岩土工程中使用的还很少。这主要有两个原因：首先, 大多数岩土工程师不太熟悉可靠度理论的术语和概念；其次,人们常常误以为可靠度理论在绝大多数情况下需要更多的数据、时间和努力。 Christian等（1994）、Tang（1999）和其他一些学者已经将可靠度理论解释得非常清楚,而且还介绍了许多精彩的在岩土工程中的应用实例。本文的主要目的在于说明可靠度能够以最简单的方式应用于岩土工程实践,而不需要额外的数据、时间和努力。只要使用与常规分析中相同类型和数量的数据,就可以进行近似但却十分有效的可靠度分析。 如果采用相同类型的数据、判断和简化,简单可靠度分析的结果将和常规确定性分析的结果精度一致。由于两种方法精度一致,因此可以互为补充和提高。 在这里并不是夸大可靠度分析而抛弃安全系数分析方法,而是建
《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题 第一章荷载类型 1.荷载：由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力称为荷载。 2.作用：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种因素总称为作用。 3.荷载与作用的区别与联系. 区别：荷载不一定能产生效应，但作用一定能产生效应。 联系：荷载属于作用的范畴。 第二章重力 1.土是由土颗粒、水和气体组成的三项非连续介质。 2.雪压：单位面积地面上积雪的自重。 3.基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。 第三章侧压力 1.根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。 三种土压力的受力特点： （1）静止土压力：挡土墙在土压力作用下，不产生任何方向的位移或转动而保持原有的位置，墙后土体处于弹性平衡状态。 （2）主动土压力：挡土墙在土压力的作用下，背离墙背方向移动或转动时，墙后土压力逐渐减小，当达到某一位移量值时，墙后土体开始下滑，作用在挡土墙上的土压力达到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态。 （3）被动土压力：挡土墙在外力作用下向墙背方向移动或转动时，墙体挤压土体，墙后土压力逐渐增大，当达到某一位移时，墙后土体开始上隆，作用在档土墙上的土压力达到最大值，滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态。 2.水对结构物的力学作用表现在对结构物表面产生静水压力和动水压力。静水压力可能导致结构物的滑动或倾覆；动水压力，会对结构物产生切应力和正应力，同时还可能引起结构物的振动，甚至使结构物产生自激振动或共振。 3.（1）冻胀力：在封闭体系中，由于土体初始含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力。（2）冻土：具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土，称为冻土。 （3）冻胀原理：水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，底层隆起。（4）影响冻土的因素：含水量、地下水位、比表面积和温差。 第四章风荷载 1.基本风压：按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。通常应符合以下五个规定：标准高度的规定（10m）、地貌的规定(空旷平坦)、公称风速的时距（10分钟）、最大风速的样本时间（1年）和基本风速重现期（30-50年）。 2.风效应可以分为顺风向结构风效应和横风向结构风效应两种。 3.速度为的风流经任意截面物体，都将产生三个力：物体单位长度上的顺风向力p D、横风向力P L以及扭力矩P M。 第五章地震作用 1.地震按其产生的原因，可分为火山地震、陷落地震和构造地震。 2.（1）震源：即发震点，是指岩层断裂处。 （2）震中：震源正上方的地面地点。 （3）震源深度：震中至震源的距离。 （4）震中距：地面某处到震中的距离。 （5）震级：衡量一次地震规模大小的数量等级。 （6）地震能：一次地震所释放的能量。 （7）烈度：某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度。 （8）地震波：传播地震能量的波 3.地震波分为在地球内部传播的体波和在地面附近传播的面波。 第七章荷载的统计分析 1.平稳二项随机过程荷载模型的假定为：
第一章绪论 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 “规定条件”：产品的使用条件、维护条件、环境条件。 “规定时间”：产品必须达到的任务时间。如应力循环次数和车辆的行驶里程。 “规定功能”：产品必须具备的功能及其技术指标。 可靠性定义分为任务可靠性和基本可靠性。两者都强调无故障完成任务。任务可靠性强调完成规定的功能是界定在“任务剖面”的范围内。基本可靠性强调的持续时间是界定在寿命剖面的范围内。一个寿命剖面包含一个以上的任务剖面。度量任务可靠性时只考虑危及任务成功的致命故障，与该任务无关的故障可以不考虑。基本可靠性则涉及整个寿命周期内的所有故障。 任务剖面：产品完成规定任务的时间内所经历的时间和环境的描述。产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺序；任务成功或致命故障的定义。 寿命周期与寿命剖面：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。 可靠性的定义固有可靠性：产品在生产过程中确立的可靠性。 生产厂在模拟实际工作标准环境下，对产品 进行检测并给以保证的可靠性。使用可靠 性：与产品的使用条件密切相关，受到使用 环境、操作水平、保养与维修、使用者的素 质等因素的影响。 维修性：产品在发生故障或失效后，能迅速修复以维持良好而完善的状态的难易性。 广义可靠性：产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力。包括狭义可靠性和维修性。 可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，主要研究解决各种可靠性问题的数学模型和数学方法，属于应用数学的范畴。应用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。 可靠性物理即失效分析，是研究失效现象及其机制和检测方法的学科，使可靠性工程从数理统计方法发展到以理化分析为基础的失效分析方法。从微观角度研究零部件（元器件）的失效发展过程和失效机理，从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。 可靠性工程是对产品（零部件、元器件、设备或系统）的失效及其发生概率进行统计、分析的一门边缘性学科，主要内容是运用系统工程的观点和方法论从设计、生产和使用等角度来研究产品的可靠性，包括对产品进行可靠性设计、可靠性预计、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析。 实施可靠性工程应重视可靠性数据的收集与分析 3. 可靠性设计 应用可靠性理论、技术和设计参数的统计数据，在给定的可靠性指标下，对零件、部件、设备或系统进行的设计，称为可靠性设计。 通过预计、分配、分析、改进等一系列可靠性工程活动，把可靠性定量要求设计到产品的技术文件和图样中去，从而形成产品的固有可靠性。系统可靠性设计零件可靠性设计系统可靠性设计的目的，就是要使系统在满足规定可靠性指标，完成预定功能的前提下，使系统的技术性能、重最、成本、时间等各方面取得协调，求得最佳设计；或是在性能、重量、成本、时间和其它要求的约束下，设计能得到实际高可靠度的系统。 系统可靠性设计常用的方法系统可靠性框图;故障模式影响与危害度分析FMECA;故障树分析FTA;马尔科夫过程研究可靠性的 重要意义保证和提高产品的可靠性水平;提高经济效益;提高市场竞争能力 第二章可靠性数学基础 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度。可靠度的观测值是指直到规定的时间终了为止，能完成规定功能的产品数与该区间开始时刻投入工作产品数之比。 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能概率称为累积故障概率（又称不可靠度） 剩余寿命：若产品用到t时刻仍然完好，称为产品的年龄。具有年龄t的产品从t时刻开始继续使用下去直到失效为止所经历的 时间，称为具有年龄t的产品的剩余寿命。 定义：工作到某时刻尚未故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。 故障率浴盆曲线早期故障期；偶然故障期；耗损故障期 可靠寿命：给定的可靠度所对应的产品工作时间。 中位寿命：产品的可靠度等于0.5时的可靠寿命。平均寿命：产品寿命的平均值。 对于不可修产品，平均寿命就是平均故障前时间；对于可修复产品，平均寿命就是平均故障间隔时间。 可用性是系统可靠性与维修性的综合表征。定义：可修复产品，在规定的条件下使用，在规定维修条件下修复，在规定的时间具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。瞬时有效度使用有效度极限有效度 瞬时有效度是产品在某一时刻所具有或维持其规定功能的概率。平均有效度是在某规定时间内有效度的平均值。极限有效度是当时间趋于无限大时，瞬时有效度的极限值。 ?随机试验具有以下特点：重复性随机性明确性 第3章典型系统可靠性模型 系统由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能 的有机整体。系统包含“单元”，其层次高于“单元” 系统按其可否修复分为不可修复系统和可修复系统两类 定义组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统 故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。 组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障。并联系统 是最简单的冗余系统（有贮备模型）。系统由n个单元组成， 若系统中有r个或r个以上单元正常，则系统正常，这样的系统称 作n中取r表决系统。组成系统的各单元只有一个单元工作， 当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个单元继续工作，直 到所有单元都故障时系统才故障，称为旁联系统，又称非工作贮 备系统。 非工作贮备的优点是能大大提高系统的可靠度。缺点是： （1）由于增加了故障监测与转换装置而提高了系统的复杂度； （2）要求故障监测与转换装置的可靠度非常高，否则贮备带来 的好处会被严重削弱。 贮备系统按贮备单元在贮备期间的失效情况可分为三类 ?冷贮备（无载贮备）贮备单元在贮备期间失效率为零； ?热贮备（满载贮备）贮备单元在贮备期间失效率与工作 单元失效率一样； ?温贮备（轻载贮备）贮备单元在贮备期间失效率大于零 而小于工作单元失效率。 维修度：对可能维修的产品在发生故障或失效后，在规定的条件 下和规定的时间内完成修复的概率。 修复率：维修时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后 的单位时间内完成修复的概率。 可用性：当需要时，可维修产品保持正常使用状态或功能的能力。 其度量指标是可用度。 第4章可靠性分配与预计 可靠性分配系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统设计 任务书(或合同)中规定的可靠性指标。，从上而下，由大到小， 从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件。 可靠性预计系统的可靠性预计是在系统的设计阶段根据组成 系统的元器件等在规定条件下的可靠性指标、系统的结构、系统 的功能以及工作方式等来推测系统的可靠性。是一个由局部到整 体、由小到大，由下到上的一种综合过程。可靠性分配的目的 是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的 人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。可 靠性预计的目的：将预计结果与要求的可靠性指标相比较，审查 设计任务书中提出的可靠性指标是否能达到。在方案论证阶段， 通过可靠性预计，根据预计结果的相对性进行方案比较，选择最 优方案。在设计阶段，通过预计，发现设计中的薄弱环节，加以 改进。为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面的研究提 供依据。通过预计给可靠性分配奠定基础。 可靠性分配与可靠性预计的关系：可靠性分配结果是可靠性预计 的依据和目标；可靠性预计相对结果是可靠性分配与指标调整的 基础。相互制约，相辅相成，使系统的设计满足要求。 可靠性分配与可靠性预计的作用: 提高产品的固有可靠性;降低 产品全寿命周期的费用;为可靠性增长计划提供科学依据. 在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一艇要经设计——试 制——试验——修改设计——小批生产——检验——改进——定型 生产这一过程，在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称 为可靠性增长。 可靠性分配的程序:明确系统可靠性参数指标要求;分析系统特 点;选取分配方法（同一系统可选多种方法）;准备输入数据;进 行可靠性分配;验算可靠性指标要求; 可靠性分配的无约束分配方法：等分配法;评分分配法；再分配 法；比例分配法；AGREE方法 等分配法又称为平均分配法。当系统中个单元具有近似的复杂程 度、重要性以及制造成本时，可用等分配法分配系统各单元的可 靠度。 评分分配法含义：在可靠性数据非常缺乏的情况下，通过有经验 的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综 合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，根据评分情况 给每个分系统或设备分配可靠性指标。评分因素与原则：（1） 复杂度最复杂的评10分，最简单的评1分。（2）技术发展水 平: 水平最低的评10分，水平最高的评1分。 (3)工作时间:单元 工作时间最长的评10分，最短的评1分。(4)环境条件 :单元工作 过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件的评10分，环境条件最 好的评1分。 可靠性指标分配的模糊数学模型:(1)建立评价因素集;(2)建立 评价因素权重集;(3)建立因素评价集（等级）及相应分值集;(4) 构建模糊综合评判矩阵;(5)计算各单元综合评价分值;(6)可靠 性指标分配 3.再分配法如果系统可靠性预计结果小于规定的系统可靠 度，则须重新进行可靠度分配。 4.比例分配法使系统中各单元的容许失效率与该单元预计失 效率成正比。 5. AGREE法考虑了组成系统各单元的复杂度、重要度、工作 时间以及它们与系统之间的失效关系，又称为按照单元的复杂度 及重要度的分配法。适用于各单元工作期间的失效率为常 数的串联系统。 可靠性预计目的、用途:评估系统可靠性，审查是否能达到要求 的可靠性指标。在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方 案的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。在设 计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主要因素，找出 薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。为可靠性分配奠定 基础。 分类根据战术技术中可靠性的定量要求 :基本可靠性预计 由于产品不可靠导致对维修和保障的要求。 任务可靠性预计估计产品在完成任务的过程中完成其规定 功能的概率。 从产品构成角度分析：单元可靠性预计（元件、部件或设备等） 系统可靠性预计 可靠性预计基本方法及用途：系统可靠性预计：数学模型法；边 值法；故障树分析法 设备可靠性预计：数学模型法；相似分析法；元器件计数法；应 力分析法元器件可靠性预计：应力分析法 数学模型法：根据组成系统的各单元间的可靠性数学模型，按概 率运算法则，预计系统的可靠度的方法，是一种经典的方法。相 似设备法：将新设计的产品和已知可靠性数据的相似设备进行比 较，从而简单估计出新产品可能达到的可靠性水平。相似产品 法考虑的相似因素一般包括：产品结构、性能的相似性；设计的 相似性；材料和制造工艺的相似性；使用剖面(保障、使用和环 境条件) 的相似性 相似复杂性法：将新设计产品的与相似产品相比较，考虑新产品 的相对复杂性，建立新、老产品可靠性之间的函数关系。功能预 计法：建立设备的功能特性和观测的工作可靠性之间的统计相关 关系；根据系统的功能，统计大量相似系统的功能参数和相关可 靠性数据，运用回归分析的方法，得出一些经验公式及系数；根 据初步确定的系统功能及结构参数预计系统的可靠性。元器件计 数法：按不同种类元器件的数量来预计单元和系统可靠度的方 法。采用这个方法进行预计，首先确定设计方案中各种元器件的 类型。 应力分析法：用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。 预计电子元器件工作失效率时对基本失效率进行修正。边值法： 基本思想：对于一些很复杂的系统，采用数学模型很难得到可靠 性的函数表达式。不采用直接推导的办法而是忽略一些次要因 素，用近似的数值来逼近系统可靠度真值，从而使繁琐的过程变 得简单。 边值法又称为上下限法，将一个复杂的系统先简化成某些单元组 成的串联系统，求该串联系统的可靠度预测值的上限及下限。 然后逐步考虑系统的其他部分，逐次求出越来越精确的可靠度上 限值和下限值，当达到一定的精度要求后，再将上限值和下限值 合成一个可靠度单一预测值。 机械产品可靠性预计方法：相似分析法；统计分析法故障物理法 相似分析法根据相似产品或相似环境下的可靠性数据，对产品或 环境条件进行对比修正，得出可靠性预计结果。 第五章故障模式影响与危害度分析 故障模式影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，简 记为FMEA）是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其 对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、 检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。风 险来源归类：设计上的缺陷；过程中的不足；“不正确”的使用； 服务相关 如何控制风险？核心在于－－切断风险的传递链 FMEA 分析的是潜在故障（Potential Failure），是可能发生但 是现在还没有发生的故障。它是一种“事前预防”的行为。“及时性” 是FMEA的关键因素 FMEA的效益：改进质量、生产率、可靠性和安全性；改善企业形 象，提高竞争力；提高顾客的满意度；减少招回的风险；降低产 品开发的时间和费用；对减少风险的活动或措施进行存档和追踪 第三部分 FMEA的分析流程：第一步：确定FMEA的分析计划；第 二步：成立FMEA的分析小组；第三步：确定分析的必 要输入；第四步：实施FMEA；第五步：纠正措施的落 实 FMEA 小组的原则:每个人都参与其中。聚焦于某一问题，不要过 于分散。仅仅讨论的是FMEA问题，避免激烈争执。问题发现了， 解决它！是谁的责任并不重要。说话不要超过30秒。倾听！让别 人把话讲完。 故障影响是指产品的每一个故障模式对产品自身或其他产品的 使用、功能和状态的影响。 三级影响;(1)局部影响:本地影响;(2)对上层影响:对上层产品 的影响,对下一道工序的影响(3)最终影响:对顾客的影响 四类故障原因：设计相关;制造过程相关;使用相关;服务相关 控制措施的分类:第一等：消除故障原因的措施;第二等：降低严 重度的措施; 第三等：提前发现的措施;第四等：说明书/手 册 风险顺序数 (RPN):FMEA用风险顺序数进行相对定量描述. RPN 是在你提供的信息基础上计算出来的数，要考虑(1)潜在的失败 模式,(2)相关影响, 和(3)当前在达到顾客之前工程探测失败能 力 它是三个定量的数率的乘积，分别相对于影响，要因和控制：RPN = 严重度 X 发生率 X 探测力 （RPN）作为更改判据，例如：当RPN>125时，必须更改;当RPN>64 时，建议更改;当RPN<64时，不用更改